виды, состав и список лучших

В последнее время у грудных деток часто происходит непереносимость материнского молока, то есть его белка. Возникает аллергия, и еда попросту не усваивается малышом. Вследствие этого появляется недобор в росте и разные недомогания, связанные с этим.

Специально для таких деток изготовители лечебного и профилактического питания создали детскую смесь — гидролизат, в которой молочная сыворотка путем термической обработки разделена на атомы и с легкостью всасывается в клетки аллергика.

Основные виды смесей на основе гидролизата белка

Гидролизованное питание делят на два типа:

• первый — гидролизаты казеина;
• второй — гидролизаты сывороточного белка.

Педиатр оценивает тяжесть заболевания и назначает одну из трех видов смесей в зависимости от состояния ребенка. По уровню гидролиза производители делят питание с расщепленным белком на три вида:

• Высоко-гидролизованные — которые применяются для лечения тяжелой пищевой аллергии на белок коровьего молока. При таком гидролизе молочная сыворотка расщеплена на атомы, усваиваемые малышами без проявлений аллергии.

• Частично-гидролизованные — применяются для профилактики аллергических заболеваний, в ней белок расщеплен не полностью, но малыш при употреблении данного продукта не пострадает от пищевой аллергии.
• Низко-гидролизная — используется здоровыми малышами с целью профилактики. Показана, если у родителей малыша имеется предрасположенность к аллергии на молочные продукты или у малыша имеются незначительные проявления аллергии.

Какой состав смеси с частично гидролизованным белком

В этом продукте молочная сыворотка разделена до олегопептидов с помощью термообработки таким образом, чтобы быть максимально приближенной к составу белка материнского молока. Он легко усваивается организмом новорожденного и не вызывает пищевой аллергии. В лечебных смесях содержится минимальное количество соли, это способствует беспрепятственному выделению переваренных элементов.

Кроме расщепленного белка, смесь содержит полезные вещества:

• Лактоза, которая способствует заселению кишечника полезными бактериями.
• Декстринмальтоза способствует лучшему усвоению кальция в организме.
• Нуклеотиды помогают незащищенному детскому организму быстрее сформировать иммунитет.

• Омега-3 и Омега-6 помогают правильно развиваться головному мозгу и зрительному органу.
• Витамины С и Е помогают клеткам организма.
• Кальций, фосфор и витамин Д благодаря оптимальному содержанию идеально усваиваются организмом и помогают формированию мышц и скелета.
• L-аргинин формирует пищеварительную и нервную систему.
• Таурин способствует формированию клетчатки и мышечной ткани сердца.
• Инозитол участвует в формировании дыхательных функций и оберегает малыша от респираторных инфекций.

Показания к назначению смесей

Главным поводом для покупки новорожденному гидролизованного питания является пищевая аллергия на белок коровьего молока. Также врачи назначают этот продукт при следующих патологиях:

• Если у ребенка появилась отрицательная реакция на обычное питание, которая возникает в виде кожной сыпи, отеков на конечностях, гортани, спазмов в легких с проблемами дыхания.
• Если у малыша мальабсорбция — частичное усвоение питательных веществ.
• При угрозе перехода атопического дерматита в хроническую форму.
• При угрозе появления дерматита, приобретенного по наследству.
• Если организм не переносит глютен, который присутствует в простой молочной смеси.
• При незрелости организма новорожденных: системы внутренних органов, пищеварения и поджелудочной железы.

На что обратить внимание при выборе гидролизированной смеси

Ориентироваться на выбор питания нужно исключительно по показаниям лечащего педиатра. Так, при выборе лечебного питания мамам нужно обратить внимание на массу пептида, которая указана на пачке с продуктом. При тяжелой аллергической реакции она не должна превышать 2 килодальтон.

Смесь с более высокой молекулярной массой к лечебному питанию уже не относится, ее используют для профилактики пищевой аллергии. В таких смесях уровень молекул пептида составляет от 2,5 до 9 килодальтон. Лактоза тоже иногда является причиной аллергической реакции, поэтому лучше выбирать питание без ее содержания.

Если малыш не доношен, тогда выбирают смесь с пробиотиками и бифидобактериями. Вот список смесей с лечебным эффектом, которые врачи часто назначают малышам с сильной пищевой аллергией на белок коровьего молока:

1. «Бебилак Пепти Юниор»;
2. «Альфаре» от «Нестле»;
3. «Прегестимил»;
4. «Фрисопеп»;
5. «Нутрамиген».

Это смеси с высоко гидролизованными белками. Также в состав некоторых из них входят бифидобактерии и другие полезные для пищеварения вещества.

Если уже назначена лечебная смесь, при ее первом вводе следует выполнять некоторые предостережения:

• Исключить из рациона ребенка все молочные продукты, в том числе кефир, творог, йогурты, масло сливочное, сыр.
• Питание в рацион младенца вводится постепенно.
• Запрещено кормить младенцев до 6 месяцев смесью, содержащей в составе соевый белок.
• В начале лечения заводят дневник и ведут учет переносимости.
• Использование гидролизованных смесей продолжают не менее 3 месяцев, иначе результата питание не даст.

Если сначала малыш отказывается от молока из-за его вкуса (гидролиз изменяет не только форму белка, но и вкус), то питание вначале разводят большим количеством воды. Тогда неприятный вкус станет менее выраженным, и ребенок быстрее привыкнет. При вводе лечебного питания все виды прикормов следует отменить.

Преимущества и недостатки

К преимуществам данного питания относят:

1. Максимальную схожесть с материнским молоком.
2. Присутствие пробиотиков в составе, которые способствуют улучшению пищеварения.
3. Отсутствует пальмовое масло, которое не несет пользы детскому организму. К тому же иногда также вызывает аллергию.
4. Минимальное количество лактозы снижает вероятность образования газов в желудке.
5. Большое количество микроэлементов, которые способствуют нормализации работы различных органов и тканей человека.
6. В смесях присутствует лютеин, который отвечает за бесперебойную работу органов зрения.

Недостатки гипоаллергенных смесей:

1. Основным недостатком гипоаллергенных смесей является их цена. Так как смеси изготовлены с применением высоких технологий и без их применения многим деткам нельзя обойтись.
2. В некоторых составах из-за глубокого гидролиза портится вкус, поэтому привередливые детки такое питание не хотят кушать.
3. Пальмовое масло все же в некоторые гидролизаты добавляют, а оно бесполезно для детского организма.
4. Часто такое питание сложно найти в продовольственных магазинах, это тоже значительно усложняет жизнь мам. Обычно реализуются через сеть интернет-магазинов.

Как кормить такой смесью

При вводе гидролизата мамам нужно отменить все виды прикорма: мясных, овощных пюре и соков, так как они тоже могут вызывать пищевую аллергию.

Бывает, что ребенок отказывается пить гидролизованное питание из-за его вкуса, тогда несколько дней порошок разводят в большем количестве воды, пока малыш не привыкнет к нему. Но ни в коем случае не отказываются от лечения.

Определить, усвоится ли лечебное питание организмом малыша с наличием аллергии или нет, очень просто. С начала ввода питания у ребенка пропадает дерматит, отсутствуют поносы или запоры, самочувствие отличное. Если один из этих показателей не в норме, значит, питание следует заменить на другое.

Чтобы малыш до одного года быстрее адаптировался к новому молоку, нужно в первый день ввода заменять одну дозу питания. Во второй день две и так далее, пока новая смесь не заменит привычное питание детей.

Период использования лечебных смесей варьируется от 3 месяцев до полугода, но прекращать использовать ее нельзя до полного излечения от аллергии.

Иногда врачи комбинируют смеси: так, если у малыша запор, тогда к данной смеси добавляют прикорм в виде гипоаллергенной смеси с пробиотиками.

Способ приготовления молочного питания гидролизата на примере «Нутрилон Пепти Аллергия»: для выхода 100 грамм восстановленного питания следует в 90 граммах кипяченой и охлажденной до 37 градусов воды развести 3 ложки порошка. Объем порошка и количество кормлений рассчитывается индивидуально в зависимости от возраста ребенка.

состав, обзор лучших, применение, отзывы

Если врачом ребенку установлен диагноз о непереносимости белка коровьего молока, то лечение, как правило, основано на полном отказе от употребления данного продукта в пищу. Почти в 90% случаев к двум годам наступает полное выздоровление и все симптомы полностью исчезают. Для того чтобы в это время ребенок продолжал получать все необходимые компоненты, врачи назначают смесь-гидролизат сывороточного белка. Незнакомый и сложный с первого взгляда термин означает, что при изготовлении продукта был частично или полностью расщеплен белок коровьего молока. О том, какие виды смесей существуют, из чего состоят и когда назначаются, рассмотрим в статье ниже.

Причина назначения специальной смеси

Первый год жизни ребенка связан с многочисленными изменениями в его организме. Ввиду того, что многие заболевания, непереносимость тех или иных продуктов вызваны наследственностью, нередко аллергические реакции возникают потому, что когда-то в детстве родители тоже страдали от этого недуга. Порядка 65% детей в возрасте до года страдают от проявления атопического дерматита. Его возникновение часто связывают с наследственной предрасположенностью к непереносимости коровьего белка. В связи с чем педиатры назначают специальную смесь-гидролизат.

Оставление проблемы в том виде, в каком она проявляется у ребенка, грозит развитием аллергического ринита, бронхиальной астмы у него в последующем. Медицинская статистика гласит, что если у обоих родителей имелся в детстве атопический дерматит с одинаковыми признаками, то вероятность передачи данного заболевания ребенку порядка 60-80%. В случае когда причины появления разные — 40-60%.

Для того чтобы начать вводить в рацион питания ребенка смесь на основе полного гидролизата белка либо частичного, необходима консультация и сбор данных по результатам анализов. Только в результате оценки полной картины и опроса о поведении и самочувствии малыша специалисты могут подобрать правильный продукт. Не стоит исключать и необходимость применения специальной смеси деткам, которые имеют те или иные физиологические отклонения. В таком случае смеси на основе полного гидролизата назначаются в лечебных целях, так как организм малыша не может самостоятельно усвоить или получить необходимые ему компоненты извне. Или же есть также категория продукта, которая относится к лечебно-профилактической. Ее применение в качестве основного или дополнительного питания позволяет предупредить развитие или осложнение некоторых заболеваний.

Виды смесей, состав

В настоящее время в продаже доступны смеси, которые состоят из частично и полностью гидролизованного белка молочной сыворотки и обезжиренного молока. Первые применяются при легкой форме непереносимости, вторые при хронических и сложных формах заболевания, а также в случаях отсутствия положительного эффекта в результате применения частично гидролизованных смесей. Необходимо понимать, что результаты от ввода подобного рода в меню малыша смесей наступают не ранее, чем через месяц после начала приема данного продукта. Поэтому прежде чем искать отзывы о самой лучшей смеси-гидролизате, необходимо проконсультироваться с наблюдающим врачом или профильным специалистом.

Входящие в их состав многочисленные компоненты на самом деле очень важны, так как приближают продукт по своим свойствам к грудному молоку. Прежде чем отказаться от того или иного продукта, так как он содержит много неизвестных компонентов, необходимо изучить их предназначение.

С целью нормализации и улучшения работы кишечника, стимулирования роста полезных бифидобактерий в состав смеси-гидролизата включают пребиотики и пробиотики. Первые улучшают барьерные функции слизистой оболочки кишечника, что делает организм более устойчивым перед распространением инфекции, пищевой аллергии, дисбактериоза. Благодаря пребиотикам стул ребенка нормализуется, становится мягким и однородным. Стоит отметить такие марки, как «Фрисолак», «Семпер Бифидус», «Нан 2» с бифидобактериями. Когда пробиотики попадают в организм малыша, то продолжают сохранять свою активность, оздоравливая и стимулируя микрофлору для нормальной работы желудочно-кишечного тракта. К числу популярных среди подобного рода продуктов относят «HIPP 2 Bio с лактобактериями», «Нан» и «Агуша» кисломолочные.

Поскольку аллергическая реакция может быть спровоцирована разными факторами, необходимо выявить причину. Встречается непереносимость коровьего белка или козьего (гораздо реже). Поэтому и смеси могут состоять из полностью расщепленного сывороточного белка («Альфаре», Фрисопеп», «Нутрилак Пептиди СТЦ») или гидролизата казеина («Фрисопеп АС», «Нутрамиген»). Показанием для приема полностью гидролизованного белка может оказаться и непереносимость сои либо других белков животного или растительного происхождения.

Правила перехода на специальную смесь

Для детей, которые имеют сложную форму атопического дерматита, рекомендованы полные гидролизаты. В список смесей, которые имеют наибольшую популярность, входят «Фрисопеп АС», «Нутрамиген». Они не очень популярны у детей, которые с неохотой воспринимают новый продукт, горький на вкус. Поэтому очень часто мамы жалуются, что во время их первой попытки покормить смесью ребенка он либо отказывается, либо выплевывает ее. Причина такого специфичного вкуса — расщепленный до аминокислот белок. Причем это вполне нормально, если мама заметит изменение цвета стула у малыша до светло-зеленого. Крайне важно дать привыкнуть ребенку к данному продукту и продолжать его давать в качестве прикорма или основного питания, только в таком случае можно говорить об эффективности.

Существуют основания для назначения специальной смеси и определены они исходя из чувствительности к компонентам коровьего белка:

• Отсутствие антител к коровьему белку — показание для применения смеси умеренной гидролизации (например, гипоаллергенной).
• Умеренная или низкая степень повышенной чувствительности (например, класс реакции 1) — смесь глубокого гидролизата.
• Высокая степень (2-3 класс реакции) — высокогидролизованный казеин.

Для того чтобы врач мог подобрать нужный продукт, предварительно необходимо сдать анализы и получить результаты. Только затем возможно получение достоверной рекомендации, которая будет иметь под собой доказательную базу. Многие родители допускают ошибку, доверяя рекламе или советам знакомых. Рекомендуется воздержаться от подобного самолечения, поскольку речь идет о еще не окрепшем и неразвитом детском организме.

Как только наблюдается стойкая ремиссия, ребенка можно постепенно переводить на лечебно-профилактическую, затем профилактическую, и в итоге на адаптированную пресную смесь для здоровых деток. Следует проконсультироваться с врачом относительно возможности восполнения дефицита цельного белка, особенно при длительном его отсутствии. Это может отрицательно сказаться на развитии нервной системы, в частности, на его задержке.

Humana

При проявлении легкой формы пищевой аллергии рекомендуют и педиатры и опытные мамы смесь-гидролизат сывороточных белков немецкого производителя Humana. Оптимальный и эффективный период для использования в качестве искусственного питания у новорожденных и младенцев до 6 месяцев первого года жизни. Данный продукт рекомендуется использовать также в профилактических целях. В своем составе имеет богатый витаминный комплекс, минеральные соли, лактозу, рыбий жир, таурин, микроэлементы и растительные масла.

Продукты данной категории производителем заявляются как близкие по свойствам к составу грудного материнского молока. Благодаря тому, что смесь содержит жизненно важные аминокислоты, организм малыша может получать все необходимые питательные вещества. В составе отсутствует глютен, сахароза и ароматизаторы, ГМО, фруктоза, красители, а также консерванты. Это позволяет говорить об экологичности продукции, выпускаемой под маркой Humana.

Если ребенок хорошо переносит продукты, содержащие лактозу, то данная смесь подойдет ему благодаря ее наличию, как одного из легкоусвояемых углеводов. Они обеспечивают достижение чувства насыщения и отличного усвоения организмом. Аббревиатура «HA» говорит о том, что продукт относится к категории гипоаллергенных смесей.

«Беллакт»

На основе частичного гидролизата смесь из Беларуси «Беллакт» зарекомендовала себя также с положительной стороны, педиатры рекомендуют ее детям не старше 6-ти месяцев. В составе продукта содержится растительные масла, пребиотики (олигофруктоза и олигогалактоза), эйкопентаеновая и докозагексаеновая кислоты, витаминный комплекс и минеральные компоненты.

Производитель предлагает несколько возрастных категорий, которые позволяют подобрать продукт исходя из возрастных потребностей малыша:

• «Беллакт 1+» подойдет новорожденным и младенцам до шести месяцев;
• «Беллакт 2+» -это смесь-гидролизат белка до года;
• «Беллакт 3+», начиная с первого года жизни.

Родители на практике приема отмечают изменение цвета стула, что считается нормой и не требует отмены приема смеси. Это вызвано тем, что белок проходит глубокое расщепление. Спустя некоторое время все нормализуется и в последующем не вызывает у ребенка дискомфорта. Многие родители отмечают, что тяжелее всего приходится первые две недели, когда ребенок проходит стадию адаптации к новому и не совсем вкусному питанию.

Гипоаллергенный «Нутрилон»

Продукт на основе лактозы, пребиотиков, минеральных компонентов и витаминов, L-карнитина, микроэлементов и нуклеотидов имеет в своем составе частичный гидролизат смеси белков молочной сыворотки. Подходит для детей с первых дней жизни. Показан к применению у малышей, которые входят в группу риска или имеют выраженное аллергическое заболевание. Производством продукта занимается нидерландская компания Nutricia, которая предлагает несколько наименований товара: «Нутрилон ГА 1 и 2», «НАН ГА 1 и 2».

Они имеют сбалансированный жировой, углеводный состав, что позволяет говорить о его безопасности и эффективности. Данная категория смесей относится к лечебной, то есть в первую очередь позволяет укрепить иммунитет, восполнить дефицит микроэлементов и приучить детский организм к приему молочного белка.

«Нутрилон-Пепти СЦТ» назначают в том случае, когда у ребенка наблюдается тяжелая форма аллергического заболевания либо применение в качестве питания других видов смесей не принесло должного результата. На практике родители отмечают, что положительная динамика наблюдается уже спустя месяц после начала приема продукта малышом.

Однако не стоит исключать, что и на данную смесь может развиться аллергическая реакция. Необходимо контролировать самочувствие малыша. Если симптомы устойчивы и не исчезают на протяжении нескольких дней, необходимо поменять ее на другую.

Hipp

В списке смесей полного гидролизата, которые пользуются популярностью у родителей, числится и торговая марка Hipp. «Combiotic Гипоаллергенный 1» применяется в качестве основного или дополнительного питания у детей с рождения и до шести месяцев. В своем составе имеет пробиотики и пребиотики, комплекс незаменимых и важных для развития детского организма витаминов, минералов и микроэлементов. Продукт содержит полностью расщепленный белок, благодаря чему удается полностью избавится от симптомов аллергии.

Родители и педиатры советуют сначала вводить смесь в разбавленном виде, так как специфический привкус может вызвать у ребенка отторжение. Как правило, это проявляется в сплевывании им или срыгивании части смеси или же отказ от ее употребления. Однако при должном терпении со стороны родителя и умеренной настойчивости, со временем малыш привыкает к смеси и ест ее без капризов.

На стадии выздоровления или наступления рецидива болезни врачи рекомендуют переходить на продукт с частичной гидролизацией белка HiPP HA Combiotic 2. Он отличается тем, что позволяет постепенно приучать детский организм к восприятию обычных продуктов на основе молока. Пребиотики стимулируют рост пробиотиков, которые являются природным помощником в борьбе с аллергической реакцией.

«Фрисопеп»

Многолетний опыт, который компания наработала в области детского питания, позволил разработать специальный продукт для детей с аллергией на белок коровьего молока. Смесь используют в качестве прикорма даже у тех малышей, которые родились на свет с весом менее 3 кг. «Фрисопеп» имеет приятный вкус, что отличает ее от других аналогичных детских смесей гидролизата белка. Поэтому многие мамы оставляют положительные отзывы о приеме данного продукта, несмотря на то что при первом знакомстве ребенок может и не принять ее сразу. Однако при продолжительном приеме, в качестве источника для лечебного питания, он заслуживает высоких оценок, так как оказывается высокоэффективным.

Это продукт, который включает в себя лактозу, растительные масла, пребиотики и нуклеотиды, витамины, минеральные соли, гидролизат сывороточных белков. Смесь подходят для детей с рождения и до 12-ти месяцев. Многие родители оставляют положительные отзывы о том, как быстро наступает положительный эффект. Несмотря на горьковатый вкус, при продолжительном приеме результат не заставляет себя ждать. Продукт быстро очищает кожу (спадает краснота и шелушение) уже спустя пару недель приема в качестве основного питания малыша.

Согласно аннотации, «Фрисопеп» может рекомендоваться для использования в качестве смеси для питания малышей, которые имеют различные нарушения в работе желудочно-кишечного тракта, наличии аллергической реакции к белку коровьего молока. Нуклеотиды, входящие в состав продукта, и глубокий гидролизат сыворотки казеина укрепляют иммунитет малыша.

Существует отдельная линейка «Фрисопеп АС», которая производится на основе полностью гидролизованного казеина. При этом если у ребенка не наблюдается положительной динамики от приема обычной смеси, рекомендуется попробовать поменять ее именно на продукт с расщепленным казеином. На практике отмечено, что у детей, которые имели умеренно-выраженную форму аллергии, наступала стойкая ремиссия и в последующем повторных симптомов не наблюдалось. Что касается легкой формы атопического дерматита, кишечных расстройств, то оба продукта оказываются вполне эффективными и рекомендуются в качестве применения педиатрами.

ALFARE

Торговая марка «Нестле» предлагает маленьким деткам, страдающим от аллергии и непереносимости коровьего белка, специальную питательную смесь-гидролизат. Отзывы о ней положительные. Даже в тех случаях, когда у ребенка отмечается частая диарея (острая или хроническая) и расстройство желудка. Из большого списка смесей с полным гидролизатом белка эту выделяет то, что ее можно назначать в качестве профилактического питания в случае необходимости восстановления поврежденных внутренних тканей.

В частности, перед необходимостью проведения хирургического вмешательства или при острой недостаточности питания, после проведенной резекции кишечника врачи назначают смесь, например, «ALFARE Нестле». Сюда также можно отнести случаи проведения атрезии желчевыводящих путей, после перенесенного сепсиса, при ожогах, травмах, лучевой или химиотерапии в результате лечения онкологического заболевания. Пожалуй, это лучшая смесь-гидролизат из подобной серии аналогичных продуктов. Она содержит 20% аминокислот и 80% олигопептидов. Несмотря на то что смесь не содержит лактозы, производитель оставляет аннотацию о возможном наличии ее следов в своем продукте. Поэтому для тех, чей организм помимо непереносимости коровьего белка невосприимчив и к данному компоненту, следует с осторожностью его давать малышу.

Применяется смесь исходя из таблицы веса и возраста малыша. Разбавлять продукт необходимо теплой водой в чистой бутылочке, затем взболтать его до полного растворения.

Similac

Прежде чем выбрать ребенку-аллергику специальное питание, необходимо проконсультироваться с наблюдающим педиатром. Он точно знает, как перейти на смесь-гидролизат, например, порекомендовать Similac Alimentum. Данный продукт рекламируется как один из высокоэффективных в плане питания для малышей, имеющих проблемы с работой кишечника и невосприимчивость к коровьему белку.

Если эти факты установлены и имеют медицинское заключение, то врач несомненно поможет подобрать его альтернативу, в частности, казеиновые гидролизаты-смеси. Они позволяют избавить малыша от коликов, которые часто возникают по причине употребления или неусвояемости продуктов на основе коровьего молока.

Полный гидролизат белка позволяет справиться с тяжелыми формами аллергии, а также при нарушении всасываемости кишечником питательных веществ. Отсутствие пальмового масла делает продукт гипоаллергенным, а исключение лактозы — снижает газообразование. Состав продукта включает в себя, помимо витаминного комплекса, железа, холина, таурина, жирные Омега-3 и 6 кислоты. Они отвечают за работу мозга, интеллекта и зрения.

Приготовление смеси не составит труда, маркировка по определению дозы на одну порцию нанесена на лицевую сторону упаковки. В качестве мерной емкости необходимо пользоваться специальной ложкой, которая находится в упаковке.

Мамам аллергиков на заметку. О смесях — 14 ответов на Babyblog

Вот такую статью нашла на просторах интернета.
Тут коротко о главном.Как же подбираются смеси , в чем их суть,состав,разница и т.д.
Понятно и доступно.

Смеси на основе гидролизатов молочного белка в зависимости от их клинического предназначения можно подразделить на три группы: смеси лечебного назначения, практически не имеющие антигенного потенциала; продукты лечебно-профилактического назначения, предназначенные для вскармливания детей из группы риска развития аллергии и при легких ее проявлениях; смеси профилактического назначения для предупреждения пищевой аллергии.

Характеристика гидролизатов по субстрату гидролиза

Лечебные:

Субстрат гидролиза казеин: Нутрамиген, Прегестимил, Фрисопеп АС

белки сыворотки: Алфаре, Нутрилон Пепти ТСЦ, Туттели-Пептиди, Фрисопеп

Лечебно-профилактические:

Субстрат гидролиза белки сыворотки: Хипп ГА, Хумана ГА

Профилактические: НаН, Нутрилон ГА, Нутрилон Комфорт

Характеристика гидролизатов по углеводному и жировому составу

Углеводы: безлактозные, жиры: длинноцепочечтные триглицериды (ДЦТ) — Нутрамиген; ДЦТ+среднецепочечные триглицериды (СЦТ) — Алфаре, Нутрилон Пепти СЦТ, Прегистимил

Низколактозные (не более 35%), ДЦТ — Фрисопеп

Высокое содержание лактозы, ДЦТ — Туттели-Пептиди, Хипп ГА, Хумана ГА

При риске формирования АД, при условии отсутствия грудного вскармливания, и отсутствии клиники АД рекомендуются профилактические гидролизаты Хипп ГА, Хумана ГА.

При наличии АД и отсутствии симптомов со стороны ЖКТ — гидролизаты низколактозные, содержащие растительные жиры Фрисопеп, Туттели-Пептиди.

При наличии АД и наличии симптомов со стороны ЖКТ, в виде преобладания клиники лактазной недостаточности — гидролизаты безлактозные, содержащие растительные жиры Нутрамиген.

При наличии АД и наличии симптомов со стороны ЖКТ, выраженных в виде сочетания нарушения усвоения жиров и лактазной недостаточности — гидролизаты безлактозные, содержащие смесь СЦТ и растительных жиров Алфаре, Нутрилон Пепти ТСЦ, Прегестимил.

Название смеси	Субстрат гидролиза	Степень гидролиза	% белков с молекулярной массой < 1,5 kD*
Альфаре	сыворотка	высокая	88,0
Фрисопеп	сыворотка	высокая	95,0
Хумана ГА	сыворотка	частичная	73,8
НАН ГА	сыворотка	частичная	54,0
Нутрамиген	казеин	высокая	95,5
Нутрилон Пепти	сыворотка	частичная	84,0
Пепти Юниор	сыворотка	высокая	85,0
Прегистимил	казеин	высокая	97,0

* степень гидролиза оценивается в %-ом содержании пептидов различной молекулярной массы. Молекулярная масса пептидов ниже которой аллергенность гидролизата становится минимальной, составляет 1,5 килоДальтонов.

Требования к гипоаллергенным смесям

16 февраля 1996 г. была принята директива ЕС 96/4/ЕС «Снижение аллергенности смесей на основе белков коровьего молока» по детскому питанию. Смеси, обладающие пониженной аллергенностью, получили название гипоаллергенных.

Эти смеси должны отвечать следующим требованиям:

• количество белка должно составлять 2,25 — 3 г/100 ккал;

• количество таурина ≥42 мкмоль/100 ккал;

• количество L-карнитина ≥7,5 мкмоль/100 ккал.

Коэффициент эффективности белка должен быть равным коэффициенту эффективности казеина. Смесь должна содержать достаточное количество незаменимых и условно незаменимых аминокислот, эквивалентное их содержанию в грудном молоке;

• количество иммунологически активных компонентов должно быть менее 1% от количества всех азотсодержащих компонентов смеси;

• пероральное введение смеси животным не должно вызывать сенсибилизацию к интактным белкам смеси;

• товарный знак должен содержать указание, что продукт не может потребляться детьми с аллергией к белку, из которого приготовлена смесь, до тех пор, пока клинические испытания не представят доказательств толерантности у более 90% детей с гиперчувствительностью к белку, из которого приготовлен гидролизат;

• относительно каждой смеси должно быть предоставлено определенное количество результатов исследований, доказывающих ее эффективность и безопасность.

Аналитические методы оценки аллергенности смесей на основе гидролизованных протеинов

Для оценки аллергенности смесей применяются несколько тестов in vivo и in vitro. Теста, являющегося «золотым стандартом», не существует, и в каждой конкретной ситуации можно выбрать разные методики. Некоторые методики используются для дальнейшей характеристики белкового компонента (профиль молекулярной массы пептидов, концентрация -лактоглобулина). Другие методы прямо измеряют остаточную аллергенность смеси определением наличия реакции антител к белкам коровьего молока со смесью.

Гидролизованные смеси подразделяются на две группы. Первая группа — казеиновые гидролизаты, которые довольно широко применяются в лечении детей, страдающих пищевой аллергией. Основой этих смесей составляет высоко гидролизованный казеин — одна из фракций белка коровьего молока. Они характеризуются высоким содержанием свободных аминокислот (до 70 mol%), содержат среднецепочечные триглицериды и полностью лишены лактозы. Казеиновые гидролизаты разработаны 40-50 лет назад, — первая генерация гипоаллергенных смесей.

Вторую группу составляют гидролизаты сывороточного белка. Использование смесей, основанных на сывороточных гидролизатах, имеет ряд преимуществ по сравнению с применением казеиновых, так как они больше соотносятся со стандартом грудного молока. Вскармливание детей смесями с преобладанием сывороточного белка обеспечивает утилизацию белка, приближенную к таковой при естественном вскармливании. Они в свою очередь подразделяются на высоко гидролизованные и частично гидролизованные продукты. Необходимо учитывать, что частично гидролизованные продукты нельзя применять у больных, страдающих аллергией к молоку. Сывороточные белки являются основными белками грудного молока и по своей биологической ценности превосходят белки коровьего молока, в том числе и за счет более высокого содержания незаменимых аминокислот цистина и триптофана. Поэтому сывороточные гидролизаты более физиологичны, чем казеиновые. Кроме того, гидролизаты сывороточного белка имеют более приятный запах и вкус по сравнению со смесями на основе гидролиза казеина. Гидролизаты сывороточного белка разработаны 20-30 лет назад. Содержание свободных аминокислот в них составляет около 40 mol%

До настоящего времени не установлено, что является предпочтительным для использования в питании детей: гидролизатов казеина или сывороточных белков. Отдельные авторы отмечают, что ретенция кальция при использовании всех типов смесей одинакова, но несколько ниже, чем на грудном вскармливании, а прибавка массы тела при использовании сывороточных гидролизатов несколько выше, чем казеиновых.

В зависимости от степени расщепления белка гидролизаты подразделяются на смеси с высокой и частичной степенью гидролиза. Смеси на основе полностью гидролизованных белков, характеризуются практическим отсутствием в их составе среднецепочечных пептидов с молекулярной массой более 5000-6000 дальтон, тогда как в смесях на основе частично гидролизованных белков доля таких пептидов достаточно велика. Поскольку среднецепочечные пептиды (с молекулярной массой >5000 дальтон) могут, вероятно, частично сохранять свои иммуногенные свойства, как и смеси, содержащие их, то назначение этих продуктов детям с тяжелыми формами пищевой аллергии может оказаться неэффективным. В то же время в целом ряде исследований обнаружена высокая профилактическая ценность таких смесей при использовании их у детей из групп риска с первых дней жизни. Учитывая эти данные, смеси на основе частично гидролизованных белков рекомендуются в настоящее время в основном как средства профилактики, а также при легких формах пищевой аллергии. Продукты на основе частичного гидролиза белков содержат также лактозу, тогда как в продуктах на основе полностью гидролизованного белка ее практически нет. Профилактические гидролизаты на основе молочного белка — были разработаны в последние годы специально для профилактики пищевой аллергии. Они характеризируются низким содержанием свободных аминокислот — не более 20 mol%.

Ряд смесей на основе белковых гидролизатов (Алфаре, Пепти-Юниор, Прегестимил) содержит в качестве одного из источников жиров среднецепочечные триглицериды, что существенно повышает усвояемость жиров, нередко нарушенную у детей с пищевой аллергией. Высокая усвояемость среднецепочечных триглицеридов обусловлена тем, что жирные кислоты (содержащие 8-10 углеродных атомов), входящие в состав класса жировых веществ, способных растворяться в водной фазе, не требуют для своего расщепления желчных кислот и поступают непосредственно в воротную вену. Они минуют сложный этап всасывания в лимфатическую систему, который проходят все другие классы липидов, не растворяющиеся в крови. Высокая усвояемость «белкового» (смесь аминокислот) и жирового компонентов таких смесей позволяет рекомендовать их использование не только при пищевой аллергии, но и при различных формах кишечной мальабсорбции, а также при гипотрофии.

Чем более глубокому гидролизу подвергнуты белки, тем меньше размер молекул полученных пептидов и их молекулярная масса. Существует корреляция между длиной пептида и его аллергенностью. Чем крупнее пептид, тем выше молекулярная масса и тем выше риск развития аллергической реакции. Для оценки степени гидролиза смеси нужно ориентироваться на процентное соотношение пептидов с разной молекулярной массой. Молекулярная масса пептидов, ниже которой аллергенность гидролизата становится минимальной, составляет 3,5 килодальтона (кДа) для белков коровьего молока. Однако высокое содержание в смеси свободных аминокислот (молекулярная масса менее 1 кДа) ухудшает всасывание пептидов в кишечнике и придает гидролизату неприятный горько-соленый вкус. Оптимальное содержание свободных аминокислот не должно превышать 10-15%. Высокое содержание пептидов с молекулярной массой более 6 кДа увеличивает аллергенность смеси. Казеиновые гидролизаты содержат большее количество пептидов с низкой молекулярной массой, чем сывороточные, и меньшее количество пептидов с высокой молекулярной массой (более 6 кДа), поэтому аллергические и анафилактические реакции при их употреблении практически не встречаются.

Гидролиз амидов с использованием кислоты или основания — Master Organic Chemistry

Гидролиз амидов — превращение амидов в карбоновые кислоты

В этом посте мы обсуждаем примеры и механизм кислотного гидролиза амидов, а также некоторые примеры гидролиза амидов, которые являются необычно «легко». Мы также кратко коснемся гидролиза амидов в основных условиях.

Содержание

1. Гидролиз амидов
2. Почему гидролиз амидов так сложен по сравнению с галогенидами кислот и сложными эфирами?
3. Гидролиз амидов с использованием водной кислоты: механизм
4. Что насчет основного гидролиза амидов
5. Заключение: гидролиз амидов
6. Примечания: 3 амида, которые необычно легко разрушить
7. (Advanced) Ссылки и дополнительная литература

---

1 .Гидролиз амидов

Амиды — это производные карбоновых кислот, в которых –ОН карбоновой кислоты заменен на –NH ₂ , –NHR или –NR ₂ амина. Поскольку реакция между карбоновой кислотой и амином с образованием амида также высвобождает воду, это пример «реакции конденсации». [ Мы обсуждаем номенклатуру и синтез амидов здесь ].

Когда две аминокислоты образуют амид, мы называем этот вид пептидом , и если вы не жили под камнем, вы бы знали, что белки собираются из аминокислот, связанных пептидными (амидными) связями. .Амиды — непростая функциональная группа для разрушения — и это тоже хорошо, так как жизнь на Земле так зависит от них.

Противоположной реакции конденсации является реакция гидролиза . Гидролиз амидов, как правило, непросто. Типичные условия гидролиза амида включают нагревание амида с водной кислотой в течение продолжительных периодов времени.

Циклические амиды называются «лактамами». Подобно тому, как расстегивание ремня приводит к получению простой полоски кожи, гидролиз циклического лактама приводит к образованию линейной аминокислоты.(Пример ниже представляет собой «дельта-аминокислоту», поскольку амин является заместителем на четвертом атоме углерода ниже карбонила — не путать с «аминокислотами» жизни, которые являются «альфа-аминокислотами»).

2. Почему гидролиз амидов настолько сложен по сравнению с галогенидами и сложными эфирами кислот? Две причины

Так почему же амиды так трудно разрушить по сравнению, скажем, с хлорангидридом или даже сложным эфиром?

Одним из ключевых факторов является донорская способность неподеленной пары на азоте .Напомним, что неподеленные пары на азоте (амины) на меньше прочно удерживаются, чем неподеленные пары на (более электроотрицательном) кислороде, и, таким образом, на больше доступны для донорства (т. Таким образом, резонансная форма с двойной связью азот-углерод более значима, чем соответствующая резонансная форма для сложных эфиров. [Эта тема может быть вам знакома: именно поэтому –NH ₂ является «более активирующим» заместителем в ароматических кольцах, чем ОН].

Это имеет несколько интересных последствий.Во-первых, самым основным участком амида является , а не неподеленная пара азота, а вместо этого кислород.

Протонирование происходит сначала на кислороде!

Второе интересное следствие заключается в том, что из-за важности этой правой резонансной формы в связи углерод-азот присутствует значительный характер «двойной связи». [В предыдущем посте о конъюгации и резонансе мы упоминали, что это проявляется как барьер для вращения в связи C-N около 15-20 ккал / моль]

3.Гидролиз амидов с использованием водной кислоты: механизм

Все это означает, что проведение гидролиза амида далеко не так просто, как отщепление галогенангидрида. Механизм тоже не такой простой.

Так как же работает реакция?

Как мы уже отмечали, первая стадия — это обратимое протонирование амида на кислороде с образованием конъюгированной кислоты.

Протонирование карбонильного кислорода делает карбонильный углерод более электрофильным, поскольку пи-связь С-О ослабляется и резонансная форма с карбокатионом на углероде становится более значительной.

Следующим шагом является добавление нуклеофила (вода, которая является либо растворителем, либо сорастворителем), образуя новую связь C-O и разрывая пи-связь C-O.

Это приводит к появлению нового вещества с положительным зарядом кислорода. На следующем этапе протон перемещается к атому азота посредством депротонирования кислорода и протонирования азота. [ депротонирование — протонирование, или просто «перенос протона» ]

Полученные в результате положительно заряженные частицы азота теперь значительно лучше уходящей группы , так как уходящей группой будет HNR ₂ (слабое основание ) вместо (-) NR ₂ (очень прочная база).Следовательно, на следующем этапе происходит отщепление , образуя новую связь c-o pi и разрывая C-N.

Это приводит к положительно заряженному производному карбоновой кислоты, которое затем депротонируют с получением нейтральной карбоновой кислоты, завершая гидролиз амида.

Этот шестиступенчатый механизм (протонирование, добавление, депротонирование, протонирование, отщепление, депротонирование) может показаться смутно знакомым. Это точная последовательность этапов этерификации Фишера и различных других механизмов, обозначаемых аббревиатурой PADPED.[См. Создание музыки с помощью механизмов]

Все этапы процесса находятся в равновесии, пока не произойдет реакция элиминирования. После разрыва связи углерод-азот добавление крайне маловероятно, поскольку амин присутствует в виде сопряженной кислоты и не может действовать как нуклеофил.

Для среднего амида это практически все, что нужно для гидролиза амида. Очевидно, что для первичного амида уходящей группой будет NH ₃ , а для вторичного амида — RNH ₂ .

4. А как насчет основного гидролиза амидов?

Итак, это кислотный гидролиз. А как насчет основного гидролиза?

Это можно сделать, но обычно это непросто. Если настаивают на грубой силе, это возможно. Гидролиз амидов основанием требует длительного нагревания.

Вся проблема в том, что для протекания реакции замещения (будь то S _N 2 или ацильное замещение) вам нужна подходящая уходящая группа. Поскольку это такое сильное основание, депротонированный амин (сбивающий с толку также , называемый «амидом», или иногда «основанием амида металла») в значительной степени противоположен приличной уходящей группе.Таким образом, даже с сильным основанием, таким как гидроксид калия, и большим количеством тепла расщепление амида может быть затруднено. [Примечание]

5. Резюме: гидролиз амидов до карбоновых кислот кислотой или основанием

Кислотный гидролиз амидов — одна из тех химических реакций «мясо-картофель», которые необходимо знать и понимать. Один из ключей к полному пониманию механизма — разбить реакцию на шесть этапов (PADPED) и сравнить ее с реакциями, которые разделяют этот основной механистический путь (например,грамм. Этерификация Фишера, гидролиз сложных эфиров и др.).

Убедитесь, что вы можете нарисовать продукт для гидролиза циклического амида (лактама), поскольку реакции циклических молекул (и их обратные, внутримолекулярные реакции) являются обычным кормом для экзаменов.

Эта реакция происходит позже в синтезе аминокислот по Штрекеру, который начинается с присоединения цианид-иона к имину с последующим гидролизом нитрила с образованием карбоновой кислоты.

Спасибо KG за помощь с цифрами в этом посте!

---

Примечания

Амиды, которые необычно легко разрушаются (1) — Ацилимидазол

Как мы уже говорили, амиды, как правило, плохо расщепляются.Однако стоит взглянуть на некоторые исключения, которые помогут проиллюстрировать здесь ключевые моменты.

Одним из амидов, которые легко разрушаются, является ацилимидазол. Связь C-N по-прежнему остается, и у азота остается неподеленная пара.

Так почему же так легко сломать?

Подумайте о формах резонанса. Что вы заметили в имидазоле в резонансной форме слева по сравнению с резонансной формой справа?

В резонансной форме (слева) имидазол является ароматическим.В резонансной форме справа, с частичным характером двойной связи C-N, эта ароматичность теряется.

Это не уникальное свойство N-ацилимидазола. Это также верно для N-ацилпиррола, N-ацилиндола и других соединений, у которых неподеленная пара «связана» в ароматическом кольце.

Амид

Гидролиз иминов с образованием кетонов (или альдегидов) — Master Organic Chemistry

Master Organic Chemistry Reaction Guide

Описание: Обработка иминов водой приводит к их обратному гидролизу до альдегидов (или кетоны) и амин.

Примечания: Реакции способствует использование кислотного катализатора.

Примеры:

Примечания: Обратите внимание, что третий пример является внутримолекулярным.

Механизм: Протонирование иминного азота (этап 1, стрелки A и B) приводит к образованию иона иминия, который подвергается 1,2-присоединению водой (этап 2, стрелки C и D). Перенос протона (этап 3, стрелки E и F) с последующим 1,2-элиминированием аммиака (этап 4, стрелки G и H) приводит к иону оксония, который затем депротонируется с образованием нейтрального кетона.

Примечания:

• Кислота полезна, но не является абсолютным требованием для этой реакции. Разумные механизмы можно нарисовать без кислоты.
• «Cl» здесь в h4O + Cl- совершенно неважно, просто означает баланс заряда для h4O +. Другие противоионы, такие как Br-, HSO3- и т. Д., Также подойдут.
• Обратите внимание, что это равновесная реакция и идет в этом направлении из-за большого избытка воды. Это полная противоположность образования имина.
• Несомненно, существуют другие разумные способы переноса протона (этап 3) и других частиц, помимо h3O, которые предположительно могут действовать как основания на последнем этапе.

---

(расширенный) Ссылки и дополнительная литература

Имины также известны как «основания Шиффа» в литературе по классической органической химии, отсюда и название в названиях некоторых из этих статей.

1. О механизме образования и гидролиза основания Шиффа
   E.Х. Кордес и В.П. Дженкс
   Журнал Американского химического общества 1962, 84 (5), 832-837
   DOI: 10.1021 / ja00864a031
   В этой классической статье авторы представляют доказательства того, что при нейтральном pH потеря h3O является определяющей, но при кислом pH атака амина является определяющей. Максимальная скорость наблюдается около pH 4.
2. Механизм гидролиза шиффовых оснований, полученных из алифатических аминов
   E.Х. Кордес и В.П. Дженкс
   Журнал Американского химического общества 1963, 85 (18), 2843-2848
   DOI : 10.1021 / ja00901a037
   В кислых условиях реакция протекает через воздействие воды на конъюгированная кислота имина. В нейтральных и основных условиях определяющим этапом является атака воды; в кислых условиях стадия, определяющая скорость, представляет собой разложение тетраэдрического промежуточного соединения.
3. Кинетика и механизм гидролиза N-изобутилиденметиламина в водном растворе
   Jack Hine, John C.Крейг-младший, Джон Г. Андервуд II и Фрэнсис А. Виа
   Журнал Американского химического общества 1970, 92 (17), 5194-5199
   DOI : 10.1021 / ja00720a032
   В этих статьях экспериментальные доказательства различных механизмов гидролиза иминов как в кислой, так и в основной среде.
4. Химия иминов.
   Роберт У. Лайер
   Chemical Reviews 1963, 63 (5), 489-510
   DOI: 10.1021 / cr60225a003
   Раздел IV.A. в этом обзоре («Добавление воды») есть краткое обсуждение гидролиза иминов, что является хорошим местом для начала.
5. Гидролиз иминов: кинетика и механизм спонтанного гидролиза N-салицилиден-2-аминотиазола, индуцированного кислотами, основаниями и ионами металлов
   Anadi C. Dash, Bhaskar Dash и Somnath Praharaj
   Chem. Soc., Dalton Trans ., 1981 , 2063-2069
   DOI: 10.1039 / DT9810002063
   Кислота Льюиса (например,грамм. Катализируемый ионами металла) гидролиз иминов также возможен, как описано в этой статье.
6. Кинетическое исследование гидролиза шиффовых оснований, полученных из 2-аминотиофенола
   Hassib, H.B., Abdel-Kader, N..S. И Исса, Ю.
   J. Solution Chem 41 , 2036–2046 ( 2012 )
   DOI : 10.1007 / s10953-012-9920-6
   Очень хорошее тщательное исследование механизма гидролиза определенного имина и включает в себя вывод уравнений конкретной скорости для катализируемого кислотой и катализируемого основанием гидролиза.
7. Депротонирование основания Шиффа родопсина обязательно при активации G-белка
   C. Longstaff, RD Calhoon и RR Rando
   PNAS 1 июня, 1986 83 ( 12 ) 4209-4213
   DOI : 10.1073 / pnas.83.12.4209
   Химия иминов имеет огромное значение в биохимии. Vision основан на изомеризации сетчатки, которая связана с белком, называемым родопсином, через иминную связь через боковую аминовую цепь лизина.

Frontiers | Двухступенчатый термохимический гидролиз целлюлозы с частичной нейтрализацией для получения глюкозы

Введение

В последние два десятилетия наблюдается огромный интерес к биотопливу в результате постоянно растущего мирового спроса на энергию и чрезмерной зависимости от нефти (Lee and Lavoie, 2013).Существенное падение цен на баррель нефти со 107,26 доллара США в 2014 году до 29,64 доллара США в 2016 году негативно повлияло на отрасль биотоплива, поскольку две крупные компании подали заявление о банкротстве (Lavoie, 2016). Однако интерес к увеличению производства биотоплива по-прежнему очень высок. Поскольку возобновляемые виды топлива имеют баланс углерода, близкий к нейтральному (Lee and Lavoie, 2013), они необходимы для смягчения неблагоприятных последствий изменения климата и глобального потепления, вызванных выбросами парниковых газов из жидкого топлива, полученного из нефти.

Жидкое биотопливо первого поколения, производимое в основном из продовольственных культур, таких как сахарные, масличные и зерновые, представляет собой зрелую коммерческую технологию и рынок, но вызывает разногласия с точки зрения их устойчивости и потенциала для достижения государственных целей. В некоторой степени это биотопливо конкурирует за землю и воду, используемые для производства продуктов питания и волокна. Более того, затраты на их производство и переработку часто высоки по сравнению с ископаемым топливом, и, следовательно, они требуют государственных субсидий, чтобы иметь возможность конкурировать с нефтепродуктами.Кроме того, на их сокращение выбросов парниковых газов может повлиять рассмотрение изменений в землепользовании (Sims et al., 2010). Этанол из кукурузного крахмала является примером жидкого биотоплива первого поколения, и, как и крахмал, целлюлоза представляет собой полимер на основе глюкозы, который можно гидролизовать для высвобождения моносахаридов, которые затем можно ферментировать до этанола. Целлюлоза является привлекательным сырьем, поскольку ее легко получить из относительно дешевого сырья, такого как сельскохозяйственные и лесные остатки, по цене от 60 до 80 долларов США за тонну (Lee and Lavoie, 2013).Однако самая большая проблема с целлюлозой — это ее стойкая структура, что затрудняет эффективное преобразование с использованием химических или биологических подходов.

Целлюлоза представляет собой линейный полимер мономеров D-ангидроглюкопиранозы, соединенных β-1,4-гликозидными связями (Zhang et al., 2012), и степень ее полимеризации обычно варьируется от 2000 до 27000 единиц глюкана, в зависимости от типа растения ( Тахердазе и Карими, 2007). Он находится в виде стопки линейных цепей с повторяющимися звеньями D-целлобиозы, и эти цепи плотно упакованы, с внутримолекулярной водородной связью внутри каждой отдельной цепи глюкана и межмолекулярной водородной связью между соседними цепями.Образовавшаяся волокнистая структура и высокая степень кристалличности целлюлозы являются причиной стойкости целлюлозы (Xiang et al., 2003; Pulidindi et al., 2014). В качестве первого шага к преодолению этого упорства обычно выполняется предварительная обработка биомассы. Когда основной целью является производство этанола из целлюлозной части, этап предварительной обработки также служит цели удаления лигнина и гемицеллюлозы, уменьшения кристалличности целлюлозы, увеличения пористости материала и освобождения целлюлозы из плотно сплетенной структуры лигноцеллюлозной биомассы (Sun and Cheng, 2002; El-Zawawy et al., 2011).

Кислотный гидролиз целлюлозы — классический способ расщепления целлюлозы на глюкозу, который можно проводить с использованием либо разбавленной кислоты, либо концентрированной кислоты. Основное преимущество гидролиза целлюлозы с использованием разбавленной кислоты состоит в том, что кислоту не нужно восстанавливать (Ni et al., 2013), но несколько его недостатков включают необходимость высокой температуры (не менее 180 ° C) и давления (около 10 атм. ), который по-прежнему обеспечивает низкий выход глюкозы (Iranmahboob et al., 2002). Например, целлюлоза, гидролизованная 0.4 мас.% Кислоты при 215 ° C в течение 3 минут после предварительной обработки (гидролиз гемицеллюлоз) 0,7 мас.% Серной кислоты при 190 ° C в течение 3 минут давали выход глюкозы только 50% (Hamelinck et al., 2005). С другой стороны, гидролиз целлюлозы с использованием концентрированной кислоты происходит при умеренных температуре и давлении и приводит к более высокому выходу глюкозы (около 90%; Hamelinck et al., 2005), но обычно требует более длительного времени реакции (2-6 часов) и трудно экономично отделить глюкозу при извлечении кислоты.

Концентрированный кислотный гидролиз целлюлозы исторически начался в 1883 году, когда был изобретен метод растворения и гидролиза хлопковой целлюлозы концентрированной серной кислотой. С 1937 по 1948 год применялись три процесса концентрированного кислотного гидролиза целлюлозы, а именно процесс Бергиуса-Рейнау (Kent, 2013; Amarasekara, 2014), процесс Пеория и процесс Хоккайдо (Wenzl, 1970; Clausen and Gaddy, 1993). развернуты в больших масштабах. Однако они были успешными только во время национального кризиса, когда нефть с Ближнего Востока была недоступна и вышла из употребления после Второй мировой войны из-за низкой урожайности, значительных потоков отходов и большого количества неликвидных побочных продуктов (Arkenol , 1999).Сложные технологические установки, высокое потребление энергии и трудности с переработкой кислоты также упоминались как препятствия на пути коммерциализации этих технологий (Fan et al., 1987). В середине 1970-х процесс Пеория был усовершенствован в Университете Пердью и Управлении долины Теннесси (TVA) путем рециркуляции разбавленной кислоты и стал известен как процесс TVA. В 1989 году американская компания Arkenol разработала двухстадийный процесс концентрированного кислотного гидролиза с использованием хроматографического метода разделения сахара и кислоты (Amarasekara, 2014).BlueFire Renewables Inc., созданная в 2010 году для внедрения технологии Arkenol (BlueFire Renewables, 2010), получила финансирование от Министерства энергетики США, а письмо о намерениях от Экспортно-импортного банка Китая было продлено в феврале 2015 года, чтобы предоставить до 270 миллионов долларов США в виде заемного финансирования для предполагаемого коммерческого завода в Фултоне, штат Миссисипи. После завершения финансирования завод будет построен (BlueFire Renewables, 2015).

CRB Innovations Inc., один из промышленных спонсоров этой работы, работает над повышением ценности остаточной биомассы с момента своего создания в 2006 году.На основе широко опубликованных работ, выполненных с 90-х годов в Университете Шербрука, лигноцеллюлозная биомасса сначала разделяется на четыре фракции, а именно гемицеллюлозу, целлюлозу, лигнин и экстрактивные вещества (при желании) (Lavoie et al., 2011). Затем целлюлозную фракцию подвергают набуханию и декристаллизации с использованием концентрированной серной кислоты; целлюлоза «разжижается» в высокоионной среде. С этого момента олигосахариды, полученные в результате «ионного разжижения», превращаются в мономерные сахара на стадии постгидролиза с использованием разбавленной кислоты.Варианты этого метода потенциально могут быть экономически привлекательными, если на стадии ионного разжижения используется минимальное соотношение кислота / целлюлоза и после постгидролиза достигается высокий выход глюкозы. Дополнительные требования включают восстановление и переработку использованных ионов и кондиционирование конечного раствора глюкозы для последующей ферментации с использованием установленных микробных систем.

Конкретный процесс, рассматриваемый в данном исследовании (см. Рисунок 2), включает частичную нейтрализацию кислоты и смеси декристаллизованной целлюлозы путем добавления водного раствора аммиака или гидроксида натрия перед стадией постгидролиза.Частичная нейтрализация проводится для уменьшения количества воды, необходимой для разбавления серной кислоты для постгидролиза (Chornet et al., 2010). После стадии постгидролиза можно использовать различные методы восстановления для отделения и регенерации кислоты из полученного раствора глюкозы. Мембранный электролиз обеспечивает одновременное отделение и регенерацию серной кислоты и основания из их соли посредством реакций на электродах. Используя электродиализ, серную кислоту и сульфат натрия или сульфат аммония можно отделить от раствора глюкозы, но требуется дополнительная методика для отделения серной кислоты от соли и регенерации основания.Хроматографические методы также могут быть использованы для разделения ионов и глюкозы, и они широко описаны в литературе (Neuman et al., 1987; Foody and Tolan, 2006; Wahnon, 2008; Heinonen and Sainio, 2010; Mahnon, 2010; Heinonen et al. др., 2012). После отделения сульфата аммония от раствора глюкозы соль можно подвергнуть пиролизу с образованием серной кислоты и гидроксида аммония (Hansen, 2004). Каждый из этих методов рекуперации имеет свои преимущества и недостатки, и окончательный лучший выбор зависит от многих факторов, таких как эффективность извлечения (разделения) и связанные с этим затраты на энергию (Berberi, 2010).

Целью данной работы является исследование влияния ключевых параметров двухстадийного процесса гидролиза с частичной нейтрализацией на выход глюкозы и определение условий, приводящих к максимальному выходу глюкозы.

Материалы и методы

Сырье

Целлюлоза, используемая в качестве сырья, была получена из тритикале вилорогого ярового. Биомасса была посажена 19 мая 2009 г. компаниями CÉROM ( Centre de recherche sur les grains, ) и CRSAD ( Centre de recherche en Sciences animales de Deschambault ) и обработана гербицидом Buctril M. 14 июня 2009 г.Урожай тритикале был собран при достижении зрелости 16 сентября 2009 г., и выход биомассы составил 175 кг / м 2 ² . Учитывая волокнистую структуру соломы (несъедобной части растения), последнюю механически разрезали на куски длиной примерно 3 см, чтобы облегчить последующую обработку. Соломинки тритикале фракционировали с использованием метода FIRSST (быстрая и последовательная обработка паром пропитки сырья), состоящего из двух обработок паром (как показано на рисунке 1). Первая обработка солюбилизирует фракцию гемицеллюлоз, тогда как вторая обработка, проводимая с использованием щелочного катализатора, позволяет солюбилизировать лигнин (Lavoie et al., 2011). Оставшаяся твердая фракция в основном состояла из целлюлозы.

Рисунок 1 . Схематическая диаграмма метода FIRSST, используемого для разделения составляющих фракций лигноцеллюлозной биомассы (адаптировано из Lavoie et al., 2011).

Перед первой обработкой паром биомассу пропитывали водой в течение 24 ч при комнатной температуре. После растворения вторичных метаболитов в воде биомассу фильтровали и пять раз промывали водой путем последовательной пропитки и прессования.Затем экстрагированное сырье подвергали первой обработке паром, проводимой при 200 ° C в течение 2 минут. Полученную смесь фильтровали для извлечения гемицеллюлоз из раствора, а затем биомассу пять раз промывали водой. После этого биомассу пропитывали 8 мас.% Раствором гидроксида натрия и подвергали второй обработке паром при 180 ° C в течение 2 мин. Смесь после этой второй обработки паром фильтровали, и полученную твердую фракцию использовали в качестве исходного сырья целлюлозы в этой исследовательской работе.

Все реактивы, использованные в работе, были марки ACS. К ним относятся 95–98% серная кислота, используемая для предварительной обработки, и основания (29 мас.% Водного аммиака и 20 мас.% Гидроксида натрия), используемые для частичной нейтрализации. Более того, водный 32,8% -ный раствор гидроксида натрия вместо этого использовали в качестве катализатора (основного) в экспериментах, направленных на определение влияния времени, концентрации кислоты и температуры постгидролиза на выход глюкозы.

Стандартный тест на гидролиз целлюлозы (ASTM E1758-01)

Стандартная процедура количественного определения углеводов в целлюлозе проводилась в соответствии с методом ASTM International (E1758-01), где: 4.92 г 72 мас.% Серной кислоты добавляли к 0,3 г целлюлозы в течение 1 ч при 30 ° C с перемешиванием каждые 15 мин. Затем раствор разбавляли до 4 мас.% Серной кислоты путем добавления 84 мл воды перед помещением в автоклав при 121 ° C на 1 час. После 20 мин охлаждения и нейтрализации до pH 5–6 смесь фильтровали (0,2 мкм) и измеряли концентрацию глюкозы с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) (ASTM International, 2007).

Влажность целлюлозы

Перед гидролизом сначала определяли влажность целлюлозы, вручную разделяя целлюлозу на мелкие кусочки и помещая приблизительно 5 г в алюминиевую чашку для взвешивания, предварительно высушенную при 105 ° C.Алюминиевую чашку для взвешивания и целлюлозу помещали в печь при 105 ° C на 24 ч и взвешивали после охлаждения в эксикаторе. Измеренная разность масс по отношению к исходной массе влажной целлюлозы рассчитывалась как процентная влажность целлюлозы. Каждое испытание проводили в трех экземплярах, и рассчитывали среднюю влажность, которая использовалась в качестве эталона для баланса масс при испытаниях на гидролиз.

Процесс гидролиза целлюлозы

Процесс гидролиза целлюлозы включает семь основных параметров, и влияние каждого параметра на выход глюкозы исследовали по очереди, при этом другие параметры оставались постоянными.Эти параметры и диапазон их значений приведены в таблице 1.

Таблица 1 . Исследованы основные параметры процесса гидролиза и диапазон значений.

Влияние массового процента серной кислоты и молярного отношения кислота / основание было исследовано при всех трех значениях массового отношения (12, 24, 36) серной кислоты / сухой целлюлозы, но с использованием лучших значений времени предварительной обработки, концентрации основание, время постгидролиза и температура, обеспечивающие самый высокий выход глюкозы.Затем исследовали влияние времени предварительной обработки на выход глюкозы при массовом соотношении серная кислота / сухая целлюлоза, равном 36, с найденными наилучшими значениями для остальных параметров _. Наконец, влияние концентрации основания, времени постгидролиза и температуры на выход глюкозы определяли одно за другим, используя наиболее желаемое (наименьшее) значение массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза (12) и наиболее эффективные значения остальных параметров.

Поскольку стадия частичной нейтрализации является новаторским аспектом этого процесса, испытания по изучению влияния молярного отношения кислота / основание на выход глюкозы были проведены в трех экземплярах.Что касается других экспериментов, только испытания с условиями, дающими самый высокий выход глюкозы, были проведены в трех повторностях для подтверждения результатов. Результаты испытаний, проведенных в трех экземплярах, представлены с полосами ошибок, представляющими стандартное отклонение на соответствующих рисунках.

Сам протокол гидролиза целлюлозы сначала включал приготовление кислотного раствора путем смешивания примерно 95–98% серной кислоты с водой для получения необходимого массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза ( R ₁ ) и массового процента серной кислоты ( C ₁ ) (с учетом влажности целлюлозы) и охлаждают до 5–10 ° C на ледяной водяной бане.Затем этот раствор кислоты добавляли к 5 г измельченной целлюлозы (влажность 60–65%) в колбе Эрленмейера на 250 мл при одновременном перемешивании стеклянной палочкой. Колбу Эрленмейера помещали в баню с регулируемой температурой при 30 ° C на желаемое время ( t ₁ ) и ее содержимое перемешивали с помощью стеклянной палочки с 15-минутными интервалами. В конце этого процесса предварительной обработки целлюлозы колбу Эрленмейера быстро охлаждали, погружая ее в стакан емкостью 1 л, содержащий ледяную воду, и добавляли по каплям соответствующее количество щелочного раствора [NaOH или NH _{3 (водн.)} ]. при перемешивании до достижения желаемого молярного отношения кислота / основание ( R ₂ ).Затем эту реакционную смесь подвергали постгидролизу, используя желаемое время ( t ₂ ) и температуру ( T ₁ ). Постгидролиз при 121 ° C проводили в автоклаве, а постгидролиз при 97 ° C проводили на бане с регулируемой температурой. Колбу Эрленмейера охлаждали до 20 ° C и ее содержимое фильтровали под вакуумом с использованием стеклянного микроволоконного фильтра с пористостью 1,5 мкм (марка VWR) для частиц со средним удерживанием с использованием воронки Бюхнера. Гидролизат, полученный на этой стадии, был проанализирован для определения концентрации в нем глюкозы и 5-гидроксиметилфурфурола (5-HMF, продукта разложения глюкозы) (см. Раздел «Определение концентраций глюкозы и 5-HMF») и для расчета выхода глюкозы при гидролизе целлюлозы.Эти шаги изображены на Рисунке 2.

Рисунок 2 . Принципиальная схема двухэтапного процесса гидролиза, используемого для превращения тритикале целлюлозы в сахара второго поколения.

Определение концентраций глюкозы и 5-HMF

Концентрации глюкозы и 5-HMF были измерены с помощью ВЭЖХ марки Agilent, оснащенной детектором показателя преломления и колонкой с RoA-органической кислотой (8%) (Phenomenex). Колонку калибровали по глюкозе и 5-HMF в диапазоне концентраций 10–1000 ppm.Элюент представлял собой 5 мМ водную смесь H ₂ SO ₄ , работающую при скорости потока 0,6 мл / мин и поддерживаемую при 60 ° C. Для каждого анализа вводили 30 мкл образца. Выход глюкозы при гидролизе целлюлозы рассчитывали как отношение общей массы полученной глюкозы к массе, полученной гидролизом той же целлюлозы с использованием стандартного метода ASTM E1758-01.

Результаты и обсуждение

Соломинка из тритикале, использованная в этой работе, была такой же, как соломка, описанная Beauchet et al.(2013) в своем исследовании, и было обнаружено, что они содержат 12,4 мас.% Экстрактивных веществ, 31,7 мас.% Гемицеллюлозы, 34,0 мас.% Целлюлозы, 17,0 мас.% Лигнина и 4,7 мас.% Золы. Кроме того, двойная обработка паром позволила восстановить 94% целлюлозной фракции, которая имела влажность 60–65% и состояла примерно из 7 мас.% Лигнина и 90 мас.% Глюкозы (в виде цепочек глюкана) в пересчете на сухое вещество.

Предварительная обработка водным концентрированным раствором кислоты

Влияние концентрации кислоты

Как показано на рисунке 3, при массовом соотношении кислота / сухая целлюлоза, равном 12, и массовом процентном содержании кислоты 62 мас.% Выход глюкозы составлял 24% и увеличивался до 85%, когда массовый процент кислоты достигал 72 мас.%. .При этом соотношении (12) увеличение массового процента кислоты немного снижает выход глюкозы, поскольку последний, как было установлено, составляет 78% при массовом процентном содержании кислоты 82 мас.%. При использовании более высокого массового отношения серная кислота / сухая целлюлоза, равного 24, выход глюкозы увеличился с 34 до 94%, когда массовый процент кислоты увеличился с 62 до 72 мас.%. Опять же в этой ситуации увеличение массового процента кислоты до более чем 72 мас.% Не улучшило выход глюкозы. При еще более высоком массовом соотношении серная кислота / сухая целлюлоза, равном 36, и в сочетании с H ₂ SO ₄ массовым процентом 72 мас.%, Выход глюкозы составлял 98%, с гораздо меньшим стандартным отклонением среди в трех экземплярах, чем при более низком массовом соотношении серная кислота / сухая целлюлоза.Таким образом, было обнаружено, что семьдесят два процента по массе являются наилучшим массовым процентным содержанием серной кислоты, независимо от массового отношения H ₂ SO ₄ / сухая целлюлоза. Более того, 5-HMF был обнаружен в гидролизатах, но его концентрация была ниже нижнего предела количественного определения ВЭЖХ.

Рисунок 3 . Влияние массового процента и количества H ₂ SO ₄ , использованных во время предварительной обработки, на выход глюкозы при массовом соотношении H ₂ SO ₄ / сухая целлюлоза = 12 (♦), 24 (■) , 36 ( — ), предварительная обработка в течение 2 часов при 30 ° C, молярное соотношение H ⁺ / OH ^— = 2.3 для частичной нейтрализации и 10 мин и 121 ° C для постгидролиза.

Xiang et al. (2003) также обнаружили, что массовый процент серной кислоты 72 мас.% Является оптимальным для гидролиза целлюлозы, хотя массовое соотношение кислоты / сухой целлюлозы, использованное в их случае, составляло всего 19,6, а самый высокий массовый процент исследованной кислоты составлял 72 мас. %.

Этот результат можно объяснить тем фактом, что при 72 мас.% H ₂ SO ₄ молярное отношение H ₂ O / H ₂ SO ₄ равно 2, так что каждый сульфат-анион оказывается между двумя протонированными молекулами воды.Таким образом, водный раствор серной кислоты с концентрацией 72 мас.% Имеет некоторое сходство с ионной жидкостью, так как это жидкость, состоящая исключительно из анионов и катионов. Сообщается, что ионные жидкости использовались для разрушения кристаллической структуры целлюлозы перед гидролизом или для одновременного растворения и гидролиза целлюлозы (Vo et al., 2014), хотя механизм растворения целлюлозы ионными жидкостями (и 72 мас.% Серной кислоты) в настоящее время известен. не совсем понятно. Фен и Чен (2008) предложили механизм растворения целлюлозы в ионной жидкости, и последний может быть легко применен для растворения целлюлозы в 72% -ном водном растворе серной кислоты.Сульфат-ионы и ионы гидроксония образуют электронодонорно-акцепторные комплексы с группами –OH в целлюлозе. В результате взаимодействий между целлюлозой и серной кислотой внутри- и межмолекулярные водородные связи между гидроксильными группами в целлюлозе разрушаются, что приводит к разделению молекулярных цепей целлюлозы (что воспринимается как набухание) и, в конечном итоге, к растворению целлюлозы (Рисунок 4). .

Рисунок 4 . Механизм растворения целлюлозы в 72 мас.% Серной кислоте (на основе Feng and Chen, 2008).

Следовательно, разрушение кристаллической структуры целлюлозы, вероятно, является одним из наиболее важных аспектов предварительной обработки концентрированной серной кислотой. Результаты также показали, что более высокое массовое отношение H ₂ SO ₄ / сухая целлюлоза приводит к более высокому выходу глюкозы.

Влияние времени предварительной обработки

Было обнаружено, что выход глюкозы, полученный без предварительной обработки концентрированной серной кислотой перед постгидролизом, составляет 20%, что в основном может быть связано с аморфной фракцией целлюлозы.Всего после 15 минут предварительной обработки в 72 мас.% Серной кислоте выход глюкозы быстро увеличился до 72%, а затем продолжил увеличиваться более медленными темпами, достигнув примерно 100% через 2 часа (Рисунок 5). Такое длительное время предварительной обработки можно объяснить тем фактом, что необходимо достаточно времени для превращения почти всех кристаллических частей в аморфную целлюлозу, которая затем может быть легко гидролизована до глюкозы на стадии постгидролиза. За исключением гидролизата, полученного после предварительной обработки в течение 2 часов, в котором 5-HMF был обнаружен при концентрации ниже нижнего предела количественного определения ВЭЖХ, пика 5-HMF не наблюдалось на хроматограммах, полученных с других предварительных измерений. время лечения.Таким образом, был сделан вывод, что эти условия предварительной обработки недостаточно жесткие, чтобы вызвать значительную деградацию глюкозы, что делает этот процесс пригодным для последующего ферментации

Frontiers | Синергетический ферментный коктейль для усиления гидролиза взорванной паром пшеничной соломы в экспериментальном масштабе

Введение

Биоэтанол второго поколения может снизить нашу зависимость от невозобновляемых ископаемых видов топлива (Satlewal et al., 2017, 2018a; Frankó et al., 2018; Kane and French, 2018).Поскольку лигноцеллюлозная биомасса по своей природе является труднокальцинирующей, для улучшения гидролиза обычно требуется предварительная обработка при высокой температуре / давлении (Agrawal et al., 2015b, c, 2017b; Sharma et al., 2015a). Паровой взрыв (SE) широко применялся в качестве метода предварительной обработки для широкого спектра лигноцеллюлозных биомасс, таких как пшеничная солома, рисовая солома, жмых сахарного тростника, кукурузная солома, тополевые чипсы, ячменная солома, эвкалипт, просо, мискантус и т. Д. (Janzon et al. , 2014; Sun et al., 2014; Jacquet et al., 2015; Pengilly et al., 2016; Zhai et al., 2016; Álvarez et al., 2017). Основным преимуществом SE является то, что он является автокатализируемым и считается нетоксичным и экологически безопасным методом, подходящим для коммерческого применения (Janzon et al., 2014; Sharma et al., 2015b) из-за отсутствия добавления или восстановления / нейтрализации. химикатов во время предварительной обработки, отсутствие проблем с коррозией и простые и экономичные операции (Ruiz et al., 2013).

Механизм SE обсуждался ранее, предполагая, что клеточная структура биомассы набухает под действием воды при повышенных температуре и давлении, вызывая гидратацию целлюлазы и деполимеризацию гемицеллюлазы, приводящую к образованию олигомеров и мономеров.Кроме того, водородная связь начинает ослабевать, позволяя автоионизации воды в кислые ионы гидроксония (H ₃ O ⁺ ), которые действуют как катализаторы и основные гидроксид-ионы (OH ^— ). Более того, ионы гидроксония также образуются из ацетильных групп и уроновой кислоты, присутствующих в биомассе (Ruiz et al., 2017). По сравнению с предварительной обработкой кислотой или щелочью капитальные затраты на SE считаются низкими, потому что для SE не требуется особого материала конструкции.Кроме того, во время SE вырабатывается очень мало ингибиторов или не образуется вовсе (Pielhop et al., 2016; Walker et al., 2018).

Гетерогенная природа предварительно обработанной биомассы требует синергического действия множества и функционально различных лигноцеллюлолитических ферментов (таких как эндоглюканазы, экзоглюканазы, ксиланазы, манназы, эстеразы, арабинофуранозидазы и т. Д.) Для ее эффективного гидролиза (Loman and Ju, 2016; Lee et al. ., 2017; Kane and French, 2018; Sanhueza et al., 2018). Хотя ряд факторов ответственен за более низкий гидролиз биомассы, о высокой кристалличности целлюлазы, низкой доступности фермента, непродуктивном связывании фермента с лигнином, конкурентном ингибировании и ингибировании фермента по принципу обратной связи сообщалось преимущественно (Agrawal et al., 2015b; Parnthong et al., 2018). Таким образом, для достижения высокого уровня гидролиза биомассы обычно требуется большое количество фермента, но это отрицательно влияет на коммерческую жизнеспособность процесса.

Разработка коктейля синергических ферментов — это новая стратегия улучшения гидролиза биомассы (Satlewal et al., 2008; Sánchez-Cantú et al., 2018; Sanhueza et al., 2018). Ранее сообщалось, что экзоглюканазы и эндоглюканазы работают синергетически, разрушая целлюлазу до целлобиозы и, наконец, β-глюкозидаза гидролизует целлобиозу до глюкозы.Целлобиоза является более сильным ингибитором, чем глюкоза, и ее накопление вызывает ингибирование с обратной связью в отношении большинства целлобиогидролаз и эндоглюканаз, и поэтому становится важным обеспечить достаточное количество β-глюкозидаз для гидролиза целлобиозы до глюкозы, чтобы устранить такое ингибирование (Wang and Lu, 2016). Достаточное количество β-глюкозидазы может привести к ослаблению ингибирования обратной связи целлобиозой (de Oliveira Rodrigues et al., 2017). Другие вспомогательные ферменты, такие как гемицеллюлозы, эстеразы, арабинофуранозидазы, лакказы, удаляют физическое защитное покрытие микрофибрилл целлюлазы, тем самым улучшая доступность ферментов (Gonçalves et al., 2015). Поскольку ксилоолигомеры, полученные из гемицеллюлоз, ингибируют гидролиз либо путем физического блокирования фермента, либо путем конкурентного ингибирования целлюлаз; также необходимо оптимальное количество ксиланазы (Qing et al., 2010; Boyce and Walsh, 2018). Было обнаружено, что коммерчески доступные ферментные препараты первого поколения (такие как Spezyme CP, Celluclast и Novozyme 188) неэффективно гидролизуют ксилоолигомеры и преодолевают их ингибирующие эффекты при разумных дозировках (Qing et al., 2010; Agrawal et al., 2015b). Это связано с тем, что эти коммерческие ферменты обычно происходят из мицелиальных грибов ( Trichoderma ) и содержат большое количество экзо- и эндоглюканаз, но с меньшим количеством дополнительных ферментов, таких как (β-глюкозидазы и гемицеллюлоза) (Agrawal et al. , 2015b; Pierce et al., 2017; Wu et al., 2017). В дополнение к этому тип лигноцеллюлозной биомассы и подход к предварительной обработке приводят к различиям в их структурных свойствах (Satlewal et al., 2018б). Следовательно, разработка индивидуально подобранного ферментного коктейля в соответствии с подходом к предварительной обработке и типом биомассы может способствовать улучшению гидролиза биомассы. Хотя было проведено несколько исследований синергизма ферментов, но очень немногие из них оценивали коммерческие ферменты и предварительно обработанную паром солому пшеницы на экспериментальном уровне. Здесь кратко обсуждаются несколько опубликованных отчетов, к которым можно обратиться для получения дополнительных сведений. Такано и Хошино (2018), которые оптимизировали коммерческие ферментные реагенты для гидролиза рисовой соломы, предварительно обработанной щелочью, сообщили, что комбинация целлюлазы Onozuka 3S, целлюлазы T Amano 4 и пектиназы G Amano повысила эффективность гидролиза с помощью доходность 94%.Soleimani и Ranaei-Siadat (2017) сообщили, что оптимизированный коктейль ферментов, оптимизированный с помощью методологии поверхности отклика, включает ферменты, включая экзо-1,4-β-D-глюканазы II (CBHII), эндо-1,4-β-D-глюканазы. II (EGII) и 1,4-β-D-глюкозидазы I (BGI) улучшили разложение предварительно обработанного жома. В аналогичном отчете были закуплены 14 коммерчески доступных целлюлолитических и гемицеллюлолитических ферментов, которые были смешаны вместе для создания множества коктейльных комбинаций. Такой подход к смешиванию неочищенных коммерчески доступных ферментных коктейлей позволил в 4 раза снизить общую потребность в ферментах для достижения высоких выходов гидролиза (Chundawat et al., 2017).

В этом исследовании был проведен комплексный анализ синергизма между целлюлазой и вспомогательными ферментами (ксиланаза, пектиназа, β-глюкозидазы и т. Д.) Для количественной оценки их влияния на гидролиз предварительно обработанной паром соломы пшеницы (SEWS) в пилотном масштабе. Эта работа подтвердила гипотезу о том, что вспомогательные ферменты играют решающую роль в гидролизе биомассы, и их оптимизация является важным инструментом для увеличения производства сбраживаемого сахара (Sharma et al., 2017). Кроме того, смесь ферментов собственной разработки (EnzMix) была протестирована с использованием новейших коммерческих ферментных препаратов ведущих производителей.

Материалы и методы

Биомасса, химические вещества и ферментные препараты

Пшеничная солома (WS) была закуплена на месте в Фаридабаде, Харьяна, Индия. Его измельчали ​​до размеров 1-2 мм с помощью режущей мельницы (Texol, Пуна, Индия) и хранили в герметичных пластиковых пакетах при комнатной температуре. Все химические вещества аналитической чистоты (например, целлобиоза, глюкоза, ксилоза, арабиноза, фурфурол, гидроксиметилфурфурол, уксусная кислота и BCA-1) и лигноцеллюлолитические ферменты целлюлаза (Celluclast 1.5L), β-глюкозидаза (i.е., BGL или Novozym 188 в этом исследовании), ксиланаза, пектиназа и лакказа были закуплены у Sigma Aldrich, Индия. Другие ферментные препараты, такие как Cellic от Novozymes, Дания; Accellerase от Genencor Dupont, США и индийских производителей, таких как Sacchari-SEB-C6 от Advanced Enzyme, Мумбаи; Bioconvert L1 и Bioconvert P 10 от Noor Enzymes, Западная Бенгалия; были либо приобретены, либо любезно предоставлены ими в качестве подарка.

Пилотный паровой взрыв

Паровозрывная установка включает реактор высокого давления собственной разработки емкостью 10 л, парогенератор (~ 300 ° C) с клапаном быстрой подачи, циклонный сепаратор и шумопоглотитель.Для быстрого достижения желаемой температуры варочный котел парового взрыва промывали 3–4 раза паром высокого давления (15 бар). Пропитку WS проводили партиями по 15 кг, помещая ее в контейнер с перфорированной сеткой, изготовленный из нержавеющей стали (SS), и погружая в воду. Жидкость циркулировала с помощью пневматического насоса для каждого эксперимента в течение 30 мин при комнатной температуре (30 ° C). Пропитанную пшеничную солому обезвоживали с помощью гидравлического пресса при давлении 100 бар. Прессованную солому пшеницы тщательно перемешивали для определения содержания влаги с помощью анализатора влажности (MA 150 Sartorius, Германия).0,4 кг прессованной соломы пшеницы на сухой основе подавали в реактор и повышали температуру путем впрыска пара высокого давления. WS предварительно обрабатывали при температуре 200 ° C в течение 10 мин (Agrawal et al., 2014; Sharma et al., 2015b). После предварительной обработки суспензию соломы пшеницы извлекали из циклонного сепаратора и разделяли на две фракции: жидкий гидролизат с высоким содержанием ксилозы и твердый остаток с высоким содержанием глюкана. Для удаления свободных сахаров и ингибиторов проводили тщательную промывку остатка SEWS примерно пятикратным количеством дистиллированной воды.Промытые SEWS хранили в герметичных пластиковых пакетах при 4 ° C до дальнейшего использования. Поскольку это индивидуальная пилотная установка, и мы разработали наш технологический процесс таким образом, чтобы минимальная задержка имела место при достижении желаемой температуры и давления в течение 2 минут и почти мгновенном охлаждении до температуры / давления окружающей среды в течение нескольких секунд. Предварительная промывка реактора паром высокого давления (15 бар) также помогает сократить время задержки. Кроме того, ранее мы провели серию экспериментов и оптимизировали наш процесс.Исследование по оптимизации процессов было опубликовано ранее, и к нему можно обратиться за любыми подробностями (Sharma et al., 2015b).

Анализ

Анализ состава биомассы для определения целлюлазы, гемицеллюлозы, золы лигнина и экстрактивных веществ проводили с использованием стандартного аналитического протокола Sluiter et al. (2008). Олигомеры сахара оценивались методом, разработанным Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) (Sluiter et al., 2006, 2008). Весь анализ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии проводился с помощью системы ВЭЖХ от Waters, США, оснащенной детектором показателя преломления (Модель No.2,414, Waters) и колонку Aminex HPX-87H с внутренним диаметром 300 × 7,8 мм (Bio-Rad Labs, Hercules, CA). Весь анализ проводился путем построения калибровочных кривых при различных концентрациях стандартов сахара высокой чистоты (D-целлобиоза, D — (+) глюкоза, D — (+) ксилоза, D — (+) галактоза, L — (+) арабиноза и D — (+) манноза) в ВЭЖХ (Sluiter et al., 2008). Протокол Миллера (1959) был использован для определения общего редуцирующего сахара с использованием глюкозы в качестве стандарта, а поглощение наблюдали при 540 нм. Все анализы были проведены в трех экземплярах и определено стандартное отклонение.

Активность ферментов и оценка белков

Стандартные процедуры анализа были использованы для определения активности ферментов, присутствующих в ферментных препаратах, используемых в этом исследовании. Активности целлюлазы, такие как BGL, блок фильтровальной бумаги (FPU) и эндоглюканаза, оценивались с помощью п-нитрофенил-бета-D-глюкозида (pNPG), фильтровальной бумаги и карбоксиметилцеллюлазы в качестве субстратов, соответственно (Ghose and Bisaria, 1979; Agrawal et al., 2013a, 2017a). Анализ ксиланазы, пектиназы и лакказы проводили с использованием ксилана овсянки, пектина и диаммониевой соли 2,2′-азинобис (3-этилбензотиазолин-6-сульфоновой кислоты) (ABTS) в качестве субстратов, как описано Ibrahim et al.(2014) и Zhao et al. (2014). Набор BCA-1, приобретенный у Sigma, США, использовался для оценки содержания белка во всех ферментах (Walker, 1994; Agrawal et al., 2012).

Разработка ферментного коктейля

Сравнение ферментативного гидролиза SEWS было проведено с препаратом основного целлюлазы, полученным из Trichoderma reesei (Celluclast), и его комбинацией с различными концентрациями (10–125 мг белка / г биомассы) дополнительных ферментов (BGL, ксиланаза, пектиназа и Laccase) в колбах Эрленмейера на 500 мл при 10% (мас. / Мас.) Загрузке твердого вещества в общем объеме 150 мл и pH поддерживали добавлением цитратного буфера натрия 0.05 (pH 4,8) (Agrawal et al., 2017b, c).

Процентный выход гидролиза был определен путем оценки общего количества восстанавливающих сахаров по следующей формуле (Satheeja Santhi et al., 2014):

Гидролиз (%) = Концентрация редуцирующего сахара (г) × 0,9 × 100

Содержание углеводов в биомассе (г)

Статистический подход к методологии поверхности отклика с центральным составным дизайном (CCD) с репликами в центре и звездочками использовался с Design-Expert (Stat-Ease, Inc., Миннеаполис, США) программное обеспечение для оптимизации коктейля / смеси ферментов (EnzMix). Уровни факторов для RSM приведены в таблице S1. Здесь целлюкласт был частично заменен вспомогательными ферментами, и его влияние на выход гидролиза наблюдали с помощью метода, описанного в Agrawal et al. (2015b). Мы определили количество свободных сахаров, присутствующих в образцах коммерческих ферментов, и вычли это количество при расчете выхода гидролиза.

Сравнительный анализ коммерческих ферментных препаратов

Смесь ферментов собственной разработки (EnzMix) была протестирована с ее коммерчески доступными аналогами в тех же условиях (загрузка биомассы 10%, температура 50 ° C и 4.8 pH), сырья (SEWS) и концентрации, то есть 49 мг белка / г биомассы.

Результаты и обсуждение

Предварительная обработка пшеничной соломы и химический состав

Предварительная обработка измельченного WS-материала паровым взрывом (SE) проводилась при высокой температуре и давлении, обычно от 180 до 230 ° C (Ruiz et al., 2008) с внезапным выпуском пара в расширительном резервуаре. Это «автокатализируемый» процесс, при котором уксусная кислота, высвобождаемая из гемицеллюлозы, и самоионизация воды при повышенных температурах вызывают снижение pH, которое действует как катализатор (Sharma et al., 2015b). Сообщалось, что SE разрушает структуру биомассы и развивает поры для более высокой ферментативной доступности (van der Zwan et al., 2017). Во время SE большая часть гемицеллюлозы гидролизуется до растворимых мономеров сахаров, а некоторая часть целлюлазы также деполимеризуется в глюкозу, в то время как небольшая часть лигнина растворяется и / или перераспределяется (Kumar and Murthy, 2011; Agrawal et al., 2013b). Состав необработанной и предварительно обработанной пшеничной соломы показан на Рисунке 1.

Рисунок 1 .Состав предварительно обработанной и необработанной соломы пшеницы.

После предварительной обработки паровым взрывом наблюдалось увеличение содержания целлюлазы в SEWS примерно на 31% при небольшом увеличении лигнина (2%), однако содержание гемицеллюлозы было значительно снижено (11%) по сравнению с необработанной пшеничной соломой, и экстрактивные вещества были почти полностью удалено. Ранее сообщалось, что после предварительной обработки рисовой соломы паром (180 ° C, 0,5% серная кислота и время пребывания 10 мин) содержание целлюлазы увеличивалось на 21%, а содержание гемицеллюлозы уменьшалось на 9% с небольшим увеличением лигнина ( 3%) (Sharma et al., 2015b). Kristensen et al. (2008) обнаружили, что после SE соломы пшеницы (190 ° C, 3,5% серной кислоты / биомассы и время пребывания 6 мин) содержание ксилана снизилось примерно до 17% по сравнению с природной биомассой. Следовательно, содержание целлюлазы увеличилось на 17%, а лигнина — на 1%. В другом исследовании с использованием виноградной лозы сладкого картофеля в качестве субстрата содержание целлюлазы увеличилось с 17% (необработанная) до 40–49% (обработанная SE), что сопровождалось уменьшением «лигнина» с 43% до 20–25% и гемицеллюлозы с 10%. до 16% (Liu et al., 2017).

Анализ различных ферментных препаратов

Был проведен сравнительный анализ различных ферментных препаратов, который показан в таблице 1. И Cellulclast, и BGL были доступны в жидкой форме и содержали почти одинаковое содержание белка, тогда как ксиланаза присутствовала в твердой форме и содержала меньшее количество белка. Максимальная активность целлюлазы (FPU) была обнаружена в Cellulclast, за ней следует менее половины в BGL и незначительная активность в других вспомогательных ферментах. Это показало, что вспомогательные ферменты обладают очень низким целлюлолитическим потенциалом.Пектиназа и лакказа имели удельную активность 3785 Ед / мл и 83 Ед / г соответственно.

Таблица 1 . Анализ коммерческих ферментных препаратов.

SEWS Гидролиз

Гидролиз с Целлюкластом

Быстрое усиление гидролиза наблюдалось при увеличении концентрации Целлюкласта с 10 до 25 мг белка / г биомассы, но только незначительное увеличение наблюдалось при высокой дозировке белка (более 40 мг белка / г биомассы) (Рисунок S1). Он показал, что даже очень высоких доз целлюлазы недостаточно для достижения высокого гидролиза.Подобно приведенным выше результатам, Hu et al. (2011) сообщили, что выходы гидролиза линейно увеличивались с дозировкой Целлюкласта до 35 мг / г и доходили до стационарной фазы, после которой не было обнаружено существенного увеличения выше этой дозировки. Это может быть связано с меньшим количеством дополнительных ферментов в Целлюкласте.

Эффект дополнения целлюкласта дополнительными ферментами

Поскольку концентрация целлюкласта 10 мг белка / г биомассы достаточна для достижения 60% выхода гидролиза SEWS за 24 часа, ее использовали в качестве базового уровня для любого дальнейшего улучшения путем добавления дополнительных ферментов.Основная цель этого эксперимента — определить количество дополнительных ферментов для получения не менее 80% выхода гидролиза. Результаты показали, что добавление даже небольшого количества BGL (10 мг белка) в Celluclast достаточно для достижения> 80% гидролиза, и не было обнаружено дальнейшего существенного увеличения при увеличении дозы BGL через 48 часов (Рисунки 2A – C). Добавление Celluclast с BGL в дозе 10 мг белка увеличивало гидролиз биомассы на 34% через 6 часов. Берлин и др. (2007) также сообщили, что гидролиз кукурузной соломы был улучшен на 37% за счет добавки BGL.

Рисунок 2 . Дополнение Celluclast β-глюкозидазой (A – C) и ксиланазой (D – F) . Соответствующее время гидролиза для (A, D) , (B, E) и (C, F) составляет 6, 24 и 48 часов соответственно.

Постепенное увеличение выхода гидролиза также наблюдалось при увеличении концентрации ксиланазы с 1 мг белка до 30 мг / г биомассы (рисунки 2D – F). Было обнаружено, что увеличение на 15% наблюдалось при низкой дозировке ксиланазы (1 мг белка).Результаты также показывают, что для достижения максимального выхода гидролиза за минимальное время требуется более высокая концентрация ксиланазы, например, 30 мг ксиланазы требуется для получения 80% гидролиза за 6 часов, но 10 мг ксиланзы достаточно для достижения> 95% гидролиза за 48 часов. В предыдущих отчетах также обсуждалось, что при добавлении ксиланазы наблюдалось значительное увеличение выхода гидролиза предварительно обработанной паром кукурузной соломы (16%) и баггазы сахарного тростника (31%) (Hu et al., 2011; Li et al., 2014). Удивительно, но пектиназа и лакказа показали отрицательный эффект на гидролиз SEWS (данные не показаны), поэтому для дальнейшей оптимизации в этом исследовании были выбраны только BGL и ксиланаза.Отрицательный эффект пектиназы и лакказы может быть связан с интенсивной конкуренцией между ферментами за сайты связывания целлюлазы и небольшим ингибированием активности β-глюкозидазы. Недавно Oliva-Taravilla et al. (2014) сообщили, что относительное извлечение глюкозы в присутствии лакказы с целлюлозным субстратом (Sigmacell и пшеничная солома, взорванная паром) было почти на 10% ниже, чем в отсутствие лакказы. Ян и др. (2016) сообщили, что соотношение и взаимодействие целлюлаз имеют решающее значение в гидролизе, и эффективность может быть дополнительно улучшена после добавления дополнительных ферментов, таких как оксидоредуктазы, экспансии, пул бактериальных ферментов которых настолько велик, чтобы их можно было выкопать в будущем (Agrawal et al. al., 2015г).

Синергетическое взаимодействие ферментов

Степень синергизма (DS) использовалась для выяснения синергетического взаимодействия целлюлаз и дополнительных ферментов для повышения выходов гидролиза биомассы. Его рассчитывали как долю выхода гидролиза, полученного с синергической смесью ферментов, к сумме выхода гидролиза, достигнутого с соответствующими ферментами, при использовании по отдельности в тех же количествах, что и в смеси (Li et al., 2014). Максимальный синергизм был обнаружен между Целлюкластом и β-глюкозидазой (1.68), а затем ксиланаза (1,36) (рис. 3). Эти результаты показывают, что добавление β-глюкозидазы и ксиланаз существенно усиливает гидролизующую способность целлюлаз, и максимальный синергизм достигается через 6 часов гидролиза и со временем снижается. Причиной этого может быть скорость гидролиза в первые часы в логарифмической фазе, когда наблюдается максимальный эффект фермента. Аналогичным образом, в предыдущем отчете предполагалось, что между целлюкластом и ксиланазой была обнаружена высокая DS (1,05–1,19) при гидролизе взорванного паром жома сахарного тростника (Li et al., 2014). В другом отчете сообщалось о 1,43 DS в оптимизированной смеси ферментов, содержащей целлюлазу, ксиланазу и пектиназу (Bunterngsook et al., 2017). Недавно опубликованный отчет также показал, что лучшая DS наблюдалась на начальной стадии гидролиза, но снижалась на более поздней стадии гидролиза (Huang et al., 2018). Кроме того, было обнаружено, что усвояемость целлюлазы повышалась с усвояемостью ксилана при гидролизе предварительно обработанных субстратов жома сахарного тростника (Huang et al., 2018). Точно так же добавление коммерческой целлюлазы (Sigma-Aldrich, США) с BGL сравнивали с гидролизом микрокристаллической целлюлазы, нативной кукурузной соломы и предварительно обработанной паром кукурузной соломы, и результаты показали увеличение высвобождения глюкозы на 62, 94 и 95% соответственно. (Zhang et al., 2017).

Рисунок 3 . Степень синергизма между Целлюкластом и вспомогательными ферментами.

Оптимизация ферментного коктейля

Оптимизацию ферментного коктейля проводили с использованием статистического инструмента, известного как методика поверхности отклика.Так как только два фермента, а именно β-глюкозидаза и ксиланаза, проявили синергизм с Целлюкластом; эти два были использованы для дальнейшей разработки ферментного коктейля. Схема эксперимента и результаты экспериментов представлены в таблице S1. Уравнения (1) и (2) отображают корреляцию между значимыми переменными и откликом, то есть гидролизом через 6 и 24 часа.

% гидролиза (6 ч) = 79,39 + 2,38 * A + 17,11 * B — 0,76 * AB — 4

% PDF-1,7 % 9325 0 объект > endobj xref 9325 128 0000000016 00000 н. 0000008216 00000 н. 0000008606 00000 н. 0000008660 00000 н. 0000008793 00000 н. 0000008884 00000 н. 0000009243 00000 н. 0000009672 00000 н. 0000009711 00000 н. 0000009968 00000 н. 0000011781 00000 п. 0000012268 00000 п. 0000012656 00000 п. 0000012771 00000 п. 0000013022 00000 п. 0000013609 00000 п. 0000013860 00000 п. 0000014307 00000 п. 0000014564 00000 п. 0000015056 00000 п. 0000015483 00000 п. 0000015741 00000 п. 0000016189 00000 п. 0000045277 00000 п. 0000079623 00000 п. 0000100817 00000 н. 0000120249 00000 н. 0000143273 00000 н. 0000145924 00000 н. 0000146380 00000 п. 0000146777 00000 н. 0000197294 00000 н. 0000197369 00000 н. 0000197458 00000 н. 0000197598 00000 н. 0000197655 00000 н. 0000197799 00000 н. 0000197856 00000 н. 0000198040 00000 н. 0000198097 00000 н. 0000198299 00000 н. 0000198356 00000 н. 0000198536 00000 н. 0000198593 00000 н. 0000198701 00000 н. 0000198751 00000 н. 0000198917 00000 н. 0000198974 00000 н. 0000199070 00000 н. 0000199174 00000 н. 0000199350 00000 н. 0000199407 00000 н. 0000199539 00000 н. 0000199685 00000 н. 0000199849 00000 н. 0000199906 00000 н. 0000200034 00000 п. 0000200256 00000 н. 0000200470 00000 н. 0000200526 00000 н. 0000200688 00000 н. 0000200808 00000 н. 0000200994 00000 н. 0000201050 00000 н. 0000201152 00000 н. 0000201284 00000 н. 0000201438 00000 н. 0000201494 00000 н. 0000201626 00000 н. 0000201760 00000 н. 0000201900 00000 н. 0000201949 00000 н. 0000202036 00000 н. 0000202122 00000 н. 0000202171 00000 н. 0000202220 00000 н. 0000202277 00000 н. 0000202453 00000 н. 0000202510 00000 н. 0000202660 00000 н. 0000202717 00000 н. 0000202877 00000 н. 0000202934 00000 н. 0000203062 00000 н. 0000203119 00000 н. 0000203176 00000 н. 0000203233 00000 н. 0000203371 00000 н. 0000203428 00000 н. 0000203485 00000 н. 0000203543 00000 н. 0000203733 00000 н. 0000203791 00000 н. 0000203973 00000 н. 0000204031 00000 н. 0000204201 00000 н. 0000204259 00000 н. 0000204445 00000 н. 0000204503 00000 н. 0000204673 00000 н. 0000204731 00000 н. 0000204921 00000 н. 0000204979 00000 н. 0000205153 00000 н. 0000205210 00000 н. 0000205267 00000 н. 0000205325 00000 н. 0000205463 00000 н. 0000205521 00000 н. 0000205665 00000 н. 0000205723 00000 н. 0000205881 00000 н. 0000205939 00000 н. 0000205997 00000 н. 0000206055 00000 н. 0000206201 00000 н. 0000206259 00000 н. 0000206389 00000 н. 0000206447 00000 н. 0000206569 00000 н. 0000206627 00000 н. 0000206685 00000 н. 0000206743 00000 н. 0000206897 00000 н. 0000206955 00000 н. 0000207013 00000 н. 0000007891 00000 н. 0000002920 00000 н. трейлер ] / Назад 3996644 / XRefStm 7891 >> startxref 0 %% EOF 9452 0 объект > поток hYy @ S ך? 7 =}) bD «* , / a ԥVjhҖsnn jo 柙 | [vn

Кинетика гидролиза карбонилсульфида.2. Влияние н-алканов в смесях вода плюс углеводород

Автор (ы)

В. К. Андерсен, Томас Дж. Бруно

Абстрактные

Карбонилсульфид (COS), который присутствует в качестве примеси в промышленных источниках пропана, может гидролизоваться в присутствии воды с образованием сероводорода (h3S) и диоксида углерода (CO2). В то время как COS сам по себе не вызывает коррозии, продукт гидролиза h3S вызывает коррозию, особенно в присутствии воды.Считается, что тишидролиз является серьезной проблемой в индустрии сжиженного нефтяного газа. В этой статье мы обобщаем результаты исследований, посвященных проблеме гидролиза COS в присутствии системы воды и углеводородов. Был проведен ряд кинетических измерений реакции гидролиза в метане, этане, пропане, н-бутане и н-гексане при 85 ° C. В этих измерениях были приготовлены смеси COS и н-алкана, которые были помещены в реакционный сосуд, и в сосуд добавляли контролируемое количество воды в нулевой момент времени.Хроматографический мониторинг уменьшения COS и появления h3S в паровой фазе в зависимости от времени позволил рассчитать скорость реакции. Скорость гидролиза водной углеводородной системы оказалась на несколько порядков ниже, чем сообщалось ранее для чистой воды. Кроме того, мы обнаружили, что скорость гидролиза COS пропорциональна коэффициенту диффузии бинарного взаимодействия, DI 2, для алканов в воде. Это говорит о том, что диффузия более крупных органических молекул в водную фазу препятствует способности COS реагировать с водой.